Методика расчета поверхностного натяжения на границе раздела фаз вода - смесь водяного пара и фторуглеродного газа

摘要

Представлена методика расчета поверхностного натяжения на межфазной границе вода - смесь водяного пара и фторуглеродного газа, базирующейся на ранее опубликованных аналитических методах расчета поверхностного натяжения для простых однокомпонентных систем жидкость - пар. Рассмотрена задача, связанная с межмолекулярным взаимодействием поверхностных молекул жидкости, пара той же физической природы и молекул поверхностно-активных веществ. Полученное аналитическое соотношение для расчета поверхностного натяжения на границе раздела фаз вода - смесь водяного и фторуглеродного паров является функцией температуры и концентрации фторуглеродного газа в смеси, и это верно для любых размеров молекул. Используя принципы минимума потенциальной энергии на межфазной поверхности, максимума межмолекулярного взаимодействия для веществ разной физической природы и рассчитав число степеней свободы молекул компонентов смеси, предложен способ определения взаимной ориентации молекул жидкости и поверхностно-активного вещества вблизи межфазной поверхности. Создан программный модуль расчета поверхностного натяжения на границе раздела фаз. Получены прогнозируемые расчетные значения поверхностного натяжения на границе раздела фаз вода - смесь водяного пара и фторуглеродного газа. Численно установлено, что ориентация молекул в поверхностном слое воды и мономолекулярном слое смеси может значительно менять поверхностное натяжение смеси во всем диапазоне исследуемых температур и концентраций поверхностно-активных веществ. Так, симметричные молекулы SF_6 мало влияют на поверхностное натяжение смеси, а длинные молекулы C_3F_8, C_4F_(10) ориентируются перпендикулярно к межфазной поверхности, и поверхностное натяжение может при этом меняться в несколько раз. Численный эксперимент показал, что это происходит также из-за значительной адсорбции молекул C_3F_8, C_4F_(10) на межфазной поверхности. Например, при объемной концентрации C_3F_8 вдали от межфазной поверхности, равной 0,05, возникает объемная концентрация C_3F_8 на межфазной поверхности ≈0,4. Отмечено, что созданная методика расчета требует проверки, а результаты расчета являются предварительными и должны быть согласованы с имеющимися и новыми экспериментальными данными.